EP1103613A1 - Für das pfk-Gen codierende Nukleotidsequenzen - Google Patents

Für das pfk-Gen codierende Nukleotidsequenzen Download PDF

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EP1103613A1
EP1103613A1 EP00125528A EP00125528A EP1103613A1 EP 1103613 A1 EP1103613 A1 EP 1103613A1 EP 00125528 A EP00125528 A EP 00125528A EP 00125528 A EP00125528 A EP 00125528A EP 1103613 A1 EP1103613 A1 EP 1103613A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
polynucleotide
sequence
lysine
gene
amino acid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00125528A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bettina Dr. Möckel
Walter Dr. Pfefferle
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Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Degussa GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1103613A1 publication Critical patent/EP1103613A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00—Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09—Recombinant DNA-technology
    • C12N15/11—DNA or RNA fragments; Modified forms thereof; Non-coding nucleic acids having a biological activity
    • C12N15/52—Genes encoding for enzymes or proenzymes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00—Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/10—Transferases (2.)
    • C12N9/12—Transferases (2.) transferring phosphorus containing groups, e.g. kinases (2.7)
    • C12N9/1205—Phosphotransferases with an alcohol group as acceptor (2.7.1), e.g. protein kinases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P13/00—Preparation of nitrogen-containing organic compounds
    • C12P13/04—Alpha- or beta- amino acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P13/00—Preparation of nitrogen-containing organic compounds
    • C12P13/04—Alpha- or beta- amino acids
    • C12P13/08—Lysine; Diaminopimelic acid; Threonine; Valine

Definitions

  • the invention relates to coding for the pfk gene Nucleotide sequences and methods for fermentative Production of amino acids, especially L-lysine, under Use of coryneform bacteria in which the pfk gene is reinforced.
  • Amino acids especially L-lysine
  • the inventors set themselves the task of creating new ones Measures to improve fermentative production of To provide amino acids, especially L-lysine.
  • Amino acids especially L-lysine
  • L-lysine can be found in the Human medicine, in the pharmaceutical industry and especially used in animal nutrition. It exists hence a general interest in new improved ones Process for the production of amino acids, in particular L-lysine, to provide.
  • the invention also relates to polynucleotides which are in the essentially consist of a polynucleotide sequence which are available through hybridization screening a corresponding gene bank that contains the complete gene the polynucleotide sequence according to SEQ ID No. 1 contains with a probe that the sequence of the said Polynucleotides according to SEQ ID No. 1 or a fragment thereof contains and isolation of said DNA sequence.
  • Polynucleotide sequences according to the invention are suitable as hybridization probes for RNA, cDNA and DNA to cDNA isolate in full length for phosphofructokinase encode and isolate such cDNA or genes that a high similarity of the sequence to that of the Have phosphofructokinase gene.
  • Polynucleotide sequences according to the invention are still suitable as a primer for the production of DNA from genes which encode phosphofructokinase by the polymerase chain reaction (PCR).
  • PCR polymerase chain reaction
  • oligonucleotides serving as probes or primers contain at least 30, preferably at least 20, whole particularly preferably at least 15 consecutive Nucleotides. Oligonucleotides are also suitable at least 40 or 50 nucleotides in length.
  • Isolated means from its natural environment separated out.
  • Polynucleotide generally refers to Polyribonucleotides and polydeoxyribonucleotides, wherein it unmodified RNA or DNA or modified RNA or DNA can act.
  • Polypeptides means peptides or proteins, the two or more linked via peptide bonds Contain amino acids.
  • polypeptides according to the invention include a polypeptide according to SEQ ID No. 2, especially those with the biological activity of phosphofructokinase and also those that are at least 70% identical to the Polypeptide according to SEQ ID No. 2, preferably at least 80% and especially those with at least 90% to 95% identity the polypeptide according to SEQ ID No. 2 and the above Have activity.
  • the invention further relates to a method for fermentative production of amino acids, in particular L-lysine, using coryneform bacteria that in particular already produce an amino acid, and in which the nucleotide sequences coding for the pfk gene amplified, especially overexpressed.
  • reinforcement describes in this context the increase in the intracellular activity of one or of several enzymes in a microorganism, which are caused by the corresponding DNA can be encoded, for example by the copy number of the gene or genes increases, a strong Promoter used or a gene used for a corresponding enzyme with a high activity is encoded and where appropriate, combined these measures.
  • L-amino acids especially L-lysine from glucose, sucrose, lactose, fructose, maltose, Molasses, starch, cellulose or from glycerin and ethanol produce.
  • coryneformer Bacteria act in particular of the genus Corynebacterium.
  • the species Corynebacterium glutamicum to be called in the professional world is known for its ability to produce L-amino acids to produce.
  • the inventors succeeded in creating the new one for the enzyme Phosphofructokinase-encoding pfk gene from C. glutamicum isolate.
  • E. coli can also use plasmids as pBR322 (Bolivar, Life Sciences, 25, 807-818 (1979)) or pUC9 (Vieira et al., 1982, Gene, 19: 259-268) become.
  • Particularly suitable hosts as E. coli strains are the restriction and recombination defect.
  • An example of this is the strain DH5amcr, that of Grant et al. (Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 87 (1990) 4645-4649).
  • suitable vectors are subcloned and then sequenced be, as it is e.g. B. Sanger et al. (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 74: 5463-5467, 1977).
  • the new one coding for the pfk gene DNA sequence obtained from C. glutamicum which is identified as SEQ ID No. 1 is part of the present invention. Farther was from the present DNA sequence with the above methods described the amino acid sequence of the corresponding protein derived. In SEQ ID No. 2 is the resulting amino acid sequence of the pfk gene product shown.
  • Coding DNA sequences which result from SEQ ID NO. 1 through which result in degeneracy of the genetic code also part of the invention. are in the same way DNA sequences that start with SEQ ID NO. 1 or parts of SEQ ID NO. 1 hybridize part of the invention.
  • Experts are still conservative amino acid exchanges such as B. Exchange of glycine for alanine or Aspartic acid versus glutamic acid in proteins as "Sense mutations" known to none fundamental change in the activity of the protein lead, d. H. are functionally neutral. It is also known that changes at the N and / or C terminus of a protein not significantly impair its function or even can stabilize. The specialist can find information on this among others with Ben-Bassat et al.
  • DNA sequences that are identified with SEQ ID NO. 1 or parts of SEQ ID NO. 1 hybrid part of the Invention.
  • DNA sequences are part of the Invention by the polymerase chain reaction (PCR) using primers that are from SEQ ID NO. 1 result.
  • PCR polymerase chain reaction
  • Such oligonucleotides have typically a length of at least 15 nucleotides.
  • coryneform bacteria after Overexpression of the pfk gene in an improved manner Produce amino acids in particular L-lysine.
  • the number of copies of the corresponding genes can be increased, or it can Promoter and regulatory region or the Ribosome binding site located upstream of the Structural gene located to be mutated.
  • expression cassettes act upstream of the Structural gene can be installed.
  • promoters By inducible It is also possible for promoters to express in Increase the course of fermentative L-lysine production. Through measures to extend the lifespan of m-RNA expression is also improved. Will continue by preventing the breakdown of the enzyme protein as well increases enzyme activity.
  • the genes or gene constructs can either in plasmids with different Number of copies are available or integrated in the chromosome and be amplified. Alternatively, a Overexpression of the relevant genes by changing the Media composition and cultural management can be achieved.
  • the pfk gene according to the invention was exemplified with the help overexpressed by plasmids.
  • Suitable plasmids are those in coryne forms Bacteria are replicated.
  • Numerous well-known Plasmid vectors such as e.g. B. pZ1 (Menkel et al., Applied and Environmental Microbiology (1989) 64: 549-554), pEKEx1 (Eikmanns et al., Gene 102: 93-98 (1991)) or pHS2-1 (Sonnen et al., Gene 107: 69-74 (1991)) are based on the cryptic plasmids pHM1519, pBL1 or pGA1.
  • Other Plasmid vectors such as e.g. B.
  • Such plasmid vectors are also suitable with the help which one goes through the process of gene amplification
  • Duplication or amplification of the hom-thrB operon has been described.
  • the complete Gene cloned into a plasmid vector that is in a host typically E. coli
  • C. glutamicum can replicate.
  • pSUP301 come as vectors (Simon et al., Bio / Technology 1, 784-791 (1983)), pK18mob or pK19mob (Schäfer et al., Gene 145, 69-73 (1994)), pGEM-T (Promega corporation, Madison, WI, USA), pCR2.1-TOPO (Shuman (1994). Journal of Biological Chemistry 269: 32678-84; US Pat. No.
  • the plasmid vector that contains the gene to be amplified contains, is then by conjugation or Transformation into the desired strain of C. glutamicum transferred.
  • the method of conjugation is for example in Schwarzerbach et al. (Applied and Environmental Microbiology 60, 756-759 (1994)). Methods of Transformation are, for example, in Thierbach et al.
  • amino acids especially L-lysine
  • it can be used for the production of amino acids, especially L-lysine, may be advantageous in addition to the pfk gene one or more enzymes of the respective biosynthetic pathway, glycolysis, anaplerotic, the citric acid cycle or to increase or increase amino acid export overexpress.
  • the microorganisms produced according to the invention can continuously or discontinuously in a batch process (Set cultivation) or in fed batch (feed process) or repeated fed batch process (repetitive feed process) for the purpose of producing amino acids, in particular L-lysine.
  • Set cultivation or in fed batch (feed process) or repeated fed batch process (repetitive feed process) for the purpose of producing amino acids, in particular L-lysine.
  • feed process or in the textbook by Storhas (bioreactors and peripheral facilities (Vieweg Verlag, Braunschweig / Wiesbaden, 1994)).
  • the culture medium to be used must be in a suitable manner The requirements of the respective tribes meet. Descriptions of culture media of various microorganisms are in "Manual of Methods for General Bacteriology" of the American Society for Bacteriology (Washington D.C., USA, 1981) included. Sugar and Carbohydrates such as B. glucose, sucrose, lactose, Fructose, maltose, molasses, starch and cellulose, oils and Fats such as B. soybean oil, sunflower oil, peanut oil and Coconut fat, fatty acids such as B. palmitic acid, stearic acid and linoleic acid, alcohols such as e.g. B. glycerin and ethanol and organic acids such as B.
  • Sugar and Carbohydrates such as B. glucose, sucrose, lactose, Fructose, maltose, molasses, starch and cellulose
  • oils and Fats such as B. soybean oil, sunflower oil, peanut oil and Coconut fat
  • acetic acid can be used. These substances can be used individually or as a mixture become.
  • Organic nitrogen can be used as the nitrogen source containing compounds such as peptones, yeast extract, Meat extract, malt extract, corn steep liquor, Soybean meal and urea or inorganic compounds such as ammonium sulfate, ammonium chloride, ammonium phosphate, Ammonium carbonate and ammonium nitrate can be used.
  • the Nitrogen sources can be used individually or as a mixture be used.
  • Phosphoric acid, Potassium dihydrogen phosphate or dipotassium hydrogen phosphate or the corresponding sodium-containing salts are used.
  • the culture medium must also contain salts of metals such as B.
  • the feedstocks mentioned can be used for culture in the form of a one-off approach or appropriately to be fed during cultivation.
  • Basic compounds are used to control the pH of the culture such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia or Ammonia water or acidic compounds such as phosphoric acid or sulfuric acid used in a suitable manner.
  • Antifoam agents such as e.g. B. fatty acid polyglycol esters.
  • For Maintaining the stability of plasmids can do that Medium suitable selectively acting substances such.
  • B. Antibiotics are added.
  • Oxygen or those containing oxygen are maintained Gas mixtures such as B. Air into culture registered.
  • the temperature of the culture is usually at 20 ° C to 45 ° C and preferably at 25 ° C to 40 ° C.
  • the Culture continues until there is a maximum Has formed lysine. This goal is usually reached within 10 hours to 160 hours.
  • the method according to the invention is used for fermentative purposes Production of amino acids, especially L-lysine.
  • Chromosomal DNA from Corynebacterium glutamicum ATCC 13032 was as described by Tauch et al. (1995, plasmid 33: 168-179) described isolated and partially cleaved with the restriction enzyme Sau3AI (Amersham Pharmacia, Freiburg, Germany, product description Sau3AI, code no. 27-0913-02). The DNA fragments were dephosphorylated with shrimp alkaline phosphatase (Roche Molecular Biochemicals, Mannheim, Germany, product description SAP, code no. 1758250). The DNA of the Cosmid vector SuperCosl (Wahl et al.
  • the cosmid DNA treated in this way was mixed with the treated ATCC13032 DNA and the mixture was treated with T4 DNA ligase (Amersham Pharmacia, Freiburg, Germany, product description T4 DNA ligase, code no.27-0870-04) .
  • the ligation mixture was then packaged in phages using the Gigapack II XL Packing Extract (Stratagene, La Jolla, USA, product description Gigapack II XL Packing Extract, Code no. 200217).
  • the E. coli strain NM554 Raleigh et al. 1988, Nucleic Acid Research 16: 1563-1575
  • the cells were taken up in 10 mM MgSO 4 and mixed with an aliquot of the phage suspension.
  • the cosmid DNA of a single colony was obtained with the Qiaprep Spin Miniprep Kit (Product No. 27106, Qiagen, Hilden, Germany) isolated according to the manufacturer 's instructions and with the Restriction enzyme Sau3AI (Amersham Pharmacia, Freiburg, Germany, Product Description Sau3AI, Product No. 27-0913-02) partially split.
  • the DNA fragments were made with shrimp alkaline phosphatase (Roche Molecular Biochemicals, Mannheim, Germany, product description SAP, Product No. 1758250) dephosphorylated.
  • To Isolation was carried out by gel electrophoresis the cosmid fragments in the size range from 1500 to 2000 bp with the QiaExII Gel Extraction Kit (Product No.
  • the DNA of the sequencing vector pZero-1 purchased from Invitrogen (Groningen, Netherlands, Product Description Zero Background Cloning Kit, Product No. K2500-01) was with the restriction enzyme BamHI (Amersham Pharmacia, Freiburg, Germany, Product description BamHI, Product No. 27-0868-04) split.
  • BamHI Amersham Pharmacia, Freiburg, Germany, Product description BamHI, Product No. 27-0868-04
  • the ligation of the cosmid fragments in the Sequencing vector pZero-1 was as described by Sambrook et al. (1989, Molecular Cloning: A laboratory Manual, Cold Spring Harbor) performed, the DNA mixture with T4 ligase (Pharmacia Biotech, Freiburg, Germany) via Was incubated overnight. This ligation mixture was subsequently into the E.
  • the nucleotide sequence obtained is shown in SEQ ID No. 1 shown. Analysis of the nucleotide sequence revealed a open reading frame of 990 base pairs, which is the pfk gene was designated. The pfk gene codes for a protein of 330 amino acids.
  • the ATCC 13032 strain was used according to the method of Eikmanns et al. (Microbiology 140: 1817-1828 (1994)) chromosomal DNA isolated. Based on the sequence of the pfk gene known from Example 2 for C. glutamicum, the following oligonucleotides were selected for the polymerase chain reaction:
  • the primers shown were made by ARK Scientific GmbH Biosystems (Darmstadt, Germany) synthesized.
  • the primer pfk-ex contains the sequence for the restriction site of the restriction endonuclease EcoRI and the primer pfk-glp2 the interface of the Restriction endonuclease SalI described in the above nucleotide sequence shown by underlining are marked.
  • the PCR reaction was carried out according to the standard PCR method by Innis et al. (PCR protocols. A Guide to Methods and Applications, 1990, Academic Press) with Pwo polymerase from Roche Diagnostics GmbH (Mannheim, Germany).
  • the primers With the help of the polymerase chain reaction allow the primers to amplify an approximately 1.05 kb DNA fragment which contains the pfk gene from Corynebacterium glutamicum. That so amplified product was in a 0.8% agarose gel electrophoretically tested.
  • the PCR fragment obtained in this way was mixed with the Restriction enzymes EcoRI and SalI cleaved completely.
  • the approximately 1.05 kb pfk fragment was made from the agarose gel with the QiaExII Gel Extraction Kit (Product No. 20021, Qiagen, Hilden, Germany) isolated.
  • E. coli - Expression vector pZ8-1 (EP 0 375 889) used.
  • DNA This plasmid was used with the restriction enzymes EcoRI and Split the SalI completely and then shrimp alkaline phosphatase (Roche Diagnostics GmbH, Mannheim, Germany, Product Description SAP, Product No. 1758250) dephosphorylated. That in example 3.1 from the agarose gel isolated pfk fragment was prepared with the one so prepared Vector pZ8-1 mixed and the approach with T4 DNA ligase (Amersham Pharmacia, Freiburg, Germany, Product description T4 DNA ligase, code no.27-0870-04) treated.
  • T4 DNA ligase Amersham Pharmacia, Freiburg, Germany, Product description T4 DNA ligase, code no.27-0870-04
  • the ligation approach was carried out in the E. coli strain DH5 ⁇ mcr (Hanahan, In: DNA Cloning. A Practical Approach, Vol. I, IRL-Press, Oxford, Washington DC, USA).
  • the Selection of plasmid-carrying cells was carried out by Plating out the transformation approach on LB agar (Lennox, 1955, Virology, 1: 190) with 50 mg / l kanamycin. To Incubations overnight at 37 ° C were recombinant Single clones selected. Plasmid DNA was extracted from a Transformants with the Qiaprep Spin Miniprep Kit (Product No. 27106, Qiagen, Hilden, Germany) according to the manufacturer's instructions isolated and checked by restriction cleavage. The The plasmid obtained was called pZ-pfkex. It is in Figure 1 shown.
  • the strain DSM5715 (EP 0 435 132) was with the plasmid pZ-pfkex using the method described by Liebl et al., (FEMS Microbiology Letters, 53: 299-303 (1989)) Electroporation method transformed.
  • the selection of the Transformants were carried out on LBHIS agar consisting of 18.5 g / l Brain-Heart Infusion Boullion, 0.5 M sorbitol, 5 g / l Bacto-Trypton, 2.5 g / l Bacto-Yeast-Extract, 5 g / l NaCl and 18 g / l Bacto agar supplemented with 25 mg / l kanamycin had been.
  • Plasmid DNA was made from a transformant according to the usual Methods isolated (Peters-Wendisch et al., 1998, Microbiology, 144, 915 - 927), with the Restriction endonucleases EcoRI and SalI cut and the plasmid by subsequent agarose gel electrophoresis checked. The strain obtained became DSM5715 / pZ-pfkex called.
  • the C. glutamicum strain DSM5715 / pZ-pfkex obtained in Example 4 was in a suitable for the production of lysine Culture medium cultivated and the lysine content in the Culture supernatant determined.
  • the strain was first incubated on agar plate with the appropriate antibiotic (brain-heart agar with tetracycline (5 mg / l)) for 24 hours at 33 ° C.
  • the appropriate antibiotic brassin-heart agar with tetracycline (5 mg / l)
  • a pre-culture was inoculated (10 ml medium in 100 ml Erlenmeyer flask).
  • the complete medium Cg III was used as the medium for the preculture.
  • Medium Cg III NaCl 2.5 g / l Bacto peptone 10 g / l Bacto yeast extract 10 g / l Glucose (separately autoclaved) 2% (w / v)
  • the pH was adjusted to pH 7.4
  • Kanamycin 25 mg / l was added to this.
  • the preculture was incubated for 16 hours at 33 ° C. at 240 rpm on the shaker.
  • a main culture was inoculated from this preculture so that the initial OD (660 nm) of the main culture was 0.05.
  • the medium MM was used for the main culture.
  • CSL, MOPS and the salt solution were adjusted to pH 7 with ammonia water and autoclaved. Then the sterile substrate and vitamin solutions were added, as well as the dry autoclaved CaCO 3 .
  • the cultivation is carried out in a volume of 10 ml in a 100 ml Erlenmeyer flasks with baffles. Kanamycin (25th mg / l) added. Cultivation took place at 33 ° C and 80% Humidity.
  • the OD was measured at a measuring wavelength of 660 nm with the Biomek 1000 (Beckmann Instruments GmbH, Kunststoff) determined.
  • the amount of lysine formed was included an amino acid analyzer from Eppendorf-BioTronik (Hamburg, Germany) by ion exchange chromatography and post-column derivatization with ninhydrin detection certainly.
  • Table 1 shows the result of the experiment. tribe OD (660) Lysine HCl g / l DSM5715 7.9 13.0 DSM5715 / pZ-pfkex 9.9 13.4

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein isoliertes Polynukleotid, enthaltend eine Polynukleotidsequenz, ausgewählt aus der Gruppe a) Polynukleotid, das mindestens zu 70 % identisch ist mit einem Polynukleotid, das für ein Polypeptid codiert, das die Aminosäuresequenz von SEQ ID No. 2 enthält, b) Polynukleotid, das für ein Polypeptid codiert, das eine Aminosäuresequenz enthält, die zu mindestens 70 % identisch ist mit der Aminosäuresequenz von SEQ ID No.2, c) Polynukleotid, das komplementär ist zu den Polynukleotiden von a) oder b), und d) Polynukleotid, enthaltend mindestens 15 aufeinanderfolgende Nukleotide der Polynukleotidsequenz von a), b) oder c), Verfahren zur fermentativen Herstellung von L-Aminosäuren unter Verstärkung des pfk-Gens und die Verwendung als Primer oder Hybridisierungssonde.

Description

Gegenstand der Erfindung sind für das pfk-Gen kodierende Nukleotidsequenzen und Verfahren zur fermentativen Herstellung von Aminosäuren, insbesondere L-Lysin, unter Verwendung von coryneformen Bakterien, in denen das pfk-Gen verstärkt wird.
Stand der Technik
Aminosäuren, insbesondere L-Lysin, finden in der Humanmedizin und in der pharmazeutischen Industrie, insbesondere aber in der Tierernährung Anwendung.
Es ist bekannt, daß Aminosäuren durch Fermentation von Stämmen coryneformer Bakterien, insbesondere Corynebacterium glutamicum hergestellt werden. Wegen der großen Bedeutung wird ständig an der Verbesserung der Herstellverfahren gearbeitet. Verfahrensbesserungen können fermentationstechnische Maßnahmen wie z. B. Rührung und Versorgung mit Sauerstoff, oder die Zusammensetzung der Nährmedien wie z. B. die Zuckerkonzentration während der Fermentation, oder die Aufarbeitung zur Produktform durch z. B. Ionenaustauschchromatographie oder die intrinsischen Leistungseigenschaften des Mikroorganismus selbst betreffen.
Zur Verbesserung der Leistungseigenschaften dieser Mikroorganismen werden Methoden der Mutagenese, Selektion und Mutantenauswahl angewendet. Auf diese Weise erhält man Stämme, die resistent gegen Antimetabolite wie z. B. das Lysin-Analogon S-(2-Aminoethyl)-Cystein oder auxotroph für regulatorisch bedeutsame Metabolite sind und L-Aminosäuren wie z. B. L-Lysin produzieren.
Seit einigen Jahren werden ebenfalls Methoden der rekombinanten DNA-Technik zur Stammverbesserung Aminosäure produzierender Stämme von Corynebacterium eingesetzt, indem man einzelne Aminosäure-Biosynthesegene amplifiziert und die Auswirkung auf die Aminosäure-Produktion untersucht. Übersichtsartikel hierzu findet man unter anderem bei Kinoshita ("Glutamic Acid Bacteria", in: Biology of Industrial Microorganisms, Demain and Solomon (Eds.), Benjamin Cummings, London, UK, 1985, 115-142), Hilliger (BioTec 2, 40-44 (1991)), Eggeling (Amino Acids 6:261-272 (1994)), Jetten und Sinskey (Critical Reviews in Biotechnology 15, 73-103 (1995)) und Sahm et al. (Annuals of the New York Academy of Science 782, 25-39 (1996)).
Aufgabe der Erfindung
Die Erfinder haben sich zur Aufgabe gestellt, neue Maßnahmen zur verbesserten fermentativen Herstellung von Aminosäuren, insbesondere L-Lysin, bereitzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Aminosäuren, insbesondere L-Lysin, finden in der Humanmedizin, in der pharmazeutischen Industrie und insbesondere in der Tierernährung Anwendung. Es besteht daher ein allgemeines Interesse daran, neue verbesserte Verfahren zur Herstellung von Aminosäuren, insbesondere L-Lysin, bereitzustellen.
Wenn im folgenden L-Lysin oder Lysin erwähnt werden, sind damit nicht nur die Base sondern auch die Salze wie z. B. Lysin-Monohydrochlorid oder Lysin-Sulfat gemeint.
Gegenstand der Erfindung ist ein isoliertes Polynukleotid aus coryneformen Bakterien, enthaltend eine Polynukleotidsequenz, ausgewählt aus der Gruppe
  • a) Polynukleotid, das mindestens zu 70 % identisch ist mit einem Polynukleotid, das für ein Polypeptid codiert, das die Aminosäuresequenz von SEQ ID No. 2 enthält,
  • b) Polynukleotid, das für ein Polypeptid codiert, das eine Aminosäuresequenz enthält, die zu mindestens 70% identisch ist mit der Aminosäuresequenz von SEQ ID No.2,
  • c) Polynukleotid, das komplementär ist zu den Polynukleotiden von a) oder b), und
  • d) Polynukleotid, enthaltend mindestens 15 aufeinanderfolgende Nukleotide der Polynukleotidsequenz von a), b) oder c).
    • Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls das Polynukleotid gemäß Anspruch 1, wobei es sich bevorzugt um eine replizierbare DNA handelt, enthaltend:
  • (i) die Nukleotidsequenz, gezeigt in SEQ ID No.1, oder
  • (ii) mindestens eine Sequenz, die der Sequenz (i) innerhalb des Bereichs der Degeneration des genetischen Codes entspricht, oder
  • (iii) mindestens eine Sequenz, die mit der zur Sequenz (i) oder (ii) komplementären Sequenz hybridisiert, und gegebenenfalls
  • (iv) funktionsneutralen Sinnmutationen in (i).
    • Weitere Gegenstände sind
    ein
    Polynukleotid gemäß Anspruch 4, enthaltend die Nukleotidsequenz wie in SEQ ID No. 1 dargestellt,
    ein
    Polynukleotid gemäß Anspruch 6, das für ein Polypeptid codiert, das die Aminosäuresequenz, wie in SEQ ID No. 2 dargestellt, enthält
    ein
    Vektor, enthaltend das Polynukleotid gemäß Anspruch 1, insbesondere Pendelvektor oder Plasmidvektor
    und
    als Wirtszelle dienende coryneforme Bakterien, die den Vektor enthalten.
    Gegenstand der Erfindung sind ebenso Polynukleotide, die im wesentlichen aus einer Polynukleotidsequenz bestehen, die erhältlich sind durch Screening mittels Hybridisierung einer entsprechenden Genbank, die das vollständige Gen mit der Polynukleotidsequenz entsprechend SEQ ID No. 1 enthält, mit einer Sonde, die die Sequenz des genannten Polynukleotids gemäß SEQ ID No. 1 oder ein Fragment davon enthält und Isolierung der genannten DNA-Sequenz.
    Polynukleotidsequenzen gemäß der Erfindung sind geeignet als Hybridisierungs-Sonden für RNA, cDNA und DNA, um cDNA in voller Länge zu isolieren, die für Phosphofructokinase codieren und solche cDNA oder Gene zu isolieren, die eine hohe Ähnlichkeit der Sequenz mit der des Phosphofructokinase-Gens aufweisen.
    Polynukleotidsequenzen gemäß der Erfindung sind weiterhin geeignet als Primer zur Herstellung von DNA von Genen, die für Phosphofructokinase codieren, durch die Polymerase-Kettenreaktion (PCR).
    Solche als Sonden oder Primer dienende Oligonukleotide enthalten mindestens 30, bevorzugt mindestens 20, ganz besonders bevorzugt mindestens 15 aufeinanderfolgende Nukleotide. Geeignet sind ebenfalls Oligonukleotide mit einer Länge von mindestens 40 oder 50 Nukleotiden.
    "Isoliert" bedeutet aus seinem natürlichen Umfeld herausgetrennt.
    "Polynukleotid" bezieht sich im allgemeinen auf Polyribonukleotide und Polydeoxyribonukleotide, wobei es sich um nicht modifizierte RNA oder DNA oder modifizierte RNA oder DNA handeln kann.
    Unter "Polypeptiden" versteht man Peptide oder Proteine, die zwei oder mehr über Peptidbindungen verbundene Aminosäuren enthalten.
    Die Polypeptide gemäß Erfindung schließen ein Polypeptid gemäß SEQ ID No. 2, insbesondere solche mit der biologischen Aktivität der Phosphofructokinase und auch solche ein, die zu wenigstens 70 % identisch sind mit dem Polypeptid gemäß SEQ ID No. 2, bevorzugt zu wenigstens 80% und besonders die zu wenigstens 90 % bis 95 % Identität mit dem Polypeptid gemäß SEQ ID No. 2 und die genannte Aktivität aufweisen.
    Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur fermentativen Herstellung von Aminosäuren, insbesondere L-Lysin, unter Verwendung von coryneformen Bakterien, die insbesondere bereits eine Aminosäure produzieren, und in denen die für das pfk-Gen codierenden Nukleotidsequenzen verstärkt, insbesondere überexprimiert werden.
    Der Begriff "Verstärkung" beschreibt in diesem Zusammenhang die Erhöhung der intrazellulären Aktivität eines oder mehrerer Enzyme in einem Mikroorganismus, die durch die entsprechende DNA kodiert werden, indem man beispielsweise die Kopienzahl des Gens bzw. der Gene erhöht, einen starken Promotor verwendet oder ein Gen verwendet, das für ein entsprechendes Enzym mit einer hohen Aktivität kodiert und gegebenenfalls diese Maßnahmen kombiniert.
    Die Mikroorganismen, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, können L-Aminosäuren, insbesondere L-Lysin aus Glucose, Saccharose, Lactose, Fructose, Maltose, Melasse, Stärke, Cellulose oder aus Glycerin und Ethanol herstellen. Es kann sich um Vertreter coryneformer Bakterien insbesondere der Gattung Corynebacterium handeln. Bei der Gattung Corynebacterium ist insbesondere die Art Corynebacterium glutamicum zu nennen, die in der Fachwelt für ihre Fähigkeit bekannt ist, L-Aminosäuren zu produzieren.
    Geeignete Stämme der Gattung Corynebacterium, insbesondere der Art Corynebacterium glutamicum, sind die zum Beispiel bekannten Wildtypstämme
  • Corynebacterium glutamicum ATCC13032
  • Corynebacterium acetoglutamicum ATCC15806
  • Corynebacterium acetoacidophilum ATCC13870
  • Corynebacterium thermoaminogenes FERM BP-1539
  • Corynebacterium melassecola ATCC17965
  • Brevibacterium flavum ATCC14067
  • Brevibacterium lactofermentum ATCC13869 und
  • Brevibacterium divaricatum ATCC14020
    • und daraus hergestellte L-Lysin produzierende Mutanten bzw. Stämme, wie beispielsweise
    • Corynebacterium glutamicum FERM-P 1709
    • Brevibacterium flavum FERM-P 1708
    • Brevibacterium lactofermentum FERM-P 1712
    • Corynebacterium glutamicum FERM-P 6463
    • Corynebacterium glutamicum FERM-P 6464 und
    • Corynebacterium glutamicum DSM5715.
    Den Erfindern gelang es, das neue, für das Enzym Phosphofructokinase kodierende pfk-Gen von C. glutamicum zu isolieren.
    Zur Isolierung des pfk-Gens oder auch anderer Gene von C. glutamicum wird zunächst eine Genbank dieses Mikrorganismus in E. coli angelegt. Das Anlegen von Genbanken ist in allgemein bekannten Lehrbüchern und Handbüchern niedergeschrieben. Als Beispiel seien das Lehrbuch von Winnacker: Gene und Klone, Eine Einführung in die Gentechnologie (Verlag Chemie, Weinheim, Deutschland, 1990) oder das Handbuch von Sambrook et al.: Molecular Cloning, A Laboratory Manual (Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1989) genannt. Eine sehr bekannte Genbank ist die des E. coli K-12 Stammes W3110, die von Kohara et al. (Cell 50, 495-508 (1987)) in λ-Vektoren angelegt wurde. Bathe et al. (Molecular and General Genetics, 252:255-265, 1996) beschreiben eine Genbank von C. glutamicum ATCC13032, die mit Hilfe des Cosmidvektors SuperCos I (Wahl et al., 1987, Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 84:2160-2164) im E. coli K-12 Stamm NM554 (Raleigh et al., 1988, Nucleic Acids Research 16:1563-1575) angelegt wurde. Börmann et al. (Molecular Microbiology 6(3), 317-326(1992)) wiederum beschreiben eine Genbank von C. glutamicum ATCC13032 unter Verwendung des Cosmids pHC79 (Hohn und Collins, Gene 11, 291-298 (1980)). Zur Herstellung einer Genbank von C. glutamicum in E. coli können auch Plasmide wie pBR322 (Bolivar, Life Sciences, 25, 807-818 (1979)) oder pUC9 (Vieira et al., 1982, Gene, 19:259-268) verwendet werden. Als Wirte eignen sich besonders solche E. coli-Stämme, die restriktions- und rekombinationsdefekt sind. Ein Beispiel hierfür ist der Stamm DH5amcr, der von Grant et al. (Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 87 (1990) 4645-4649) beschrieben wurde. Die mit Hilfe von Cosmiden klonierten langen DNA-Fragmente können anschließend wiederum in gängige für die Sequenzierung geeignete Vektoren subkloniert und anschließend sequenziert werden, so wie es z. B. bei Sanger et al. (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 74:5463-5467, 1977) beschrieben ist.
    Auf diese Weise wurde die neue für das Gen pfk kodierende DNA-Sequenz von C. glutamicum erhalten, die als SEQ ID No. 1 Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist. Weiterhin wurde aus der vorliegenden DNA-Sequenz mit den oben beschriebenen Methoden die Aminosäuresequenz des entsprechenden Proteins abgeleitet. In SEQ ID No. 2 ist die sich ergebende Aminosäuresequenz des pfk-Genproduktes dargestellt.
    Kodierende DNA-Sequenzen, die sich aus SEQ ID NO. 1 durch die Degeneriertheit des genetischen Codes ergeben, sind ebenfalls Bestandteil der Erfindung. In gleicher Weise sind DNA-Sequenzen, die mit SEQ ID NO. 1 oder Teilen von SEQ ID NO. 1 hybridisieren Bestandteil der Erfindung. In der Fachwelt sind weiterhin konservative Aminosäureaustausche wie z. B. Austausch von Glycin gegen Alanin oder von Asparaginsäure gegen Glutaminsäure in Proteinen als "Sinnmutationen" (sense mutations) bekannt, die zu keiner grundsätzlichen Veränderung der Aktivität des Proteins führen, d. h. funktionsneutral sind. Weiterhin ist bekannt, daß Änderungen am N- und/oder C-Terminus eines Proteins dessen Funktion nicht wesentlich beeinträchtigen oder sogar stabilisieren können. Angaben hierzu findet der Fachmann unter anderem bei Ben-Bassat et al. (Journal of Bacteriology 169:751-757 (1987)), bei O'Regan et al. (Gene 77:237-251 (1989)), bei Sahin-Toth et al. (Protein Sciences 3:240-247 (1994)), bei Hochuli et al. (Bio/Technology 6:1321-1325 (1988)) und in bekannten Lehrbüchern der Genetik und Molekularbiologie. Aminosäuresequenzen, die sich in entsprechender Weise aus SEQ ID NO. 2 ergeben, sind ebenfalls Bestandteil der Erfindung.
    In gleicher Weise sind DNA-Sequenzen, die mit SEQ ID NO. 1 oder Teilen von SEQ ID NO. 1 hybridisieren Bestandteil der Erfindung. Schließlich sind DNA-Sequenzen Bestandteil der Erfindung, die durch die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) unter Verwendung von Primern hergestellt werden, die sich aus SEQ ID NO. 1 ergeben. Derartige Oligonukleotide haben typischerweise eine Länge von mindestens 15 Nukleotiden.
    Anleitungen zur Identifizierung von DNA-Sequenzen mittels Hybridisierung findet der Fachmann unter anderem im Handbuch "The DIG System Users Guide for Filter Hybridization" der Firma Boehringer Mannheim GmbH (Mannheim, Deutschland, 1993) und bei Liebl et al. (International Journal of Systematic Bacteriology (1991) 41: 255-260). Anleitungen zur Amplifikation von DNA-Sequenzen mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) findet der Fachmann unter anderem im Handbuch von Gait: Oligonukleotide synthesis: a practical approach (IRL Press, Oxford, UK, 1984) und bei Newton und Graham: PCR (Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Deutschland, 1994).
    Die Erfinder fanden heraus, daß coryneforme Bakterien nach Überexpression des pfk-Gens in verbesserter Weise Aminosäuren insbesondere L-Lysin produzieren.
    Zur Erzielung einer Überexpression kann die Kopienzahl der entsprechenden Gene erhöht werden, oder es kann die Promotor- und Regulationsregion oder die Ribosomenbindungsstelle, die sich stromaufwärts des Strukturgens befindet, mutiert werden. In gleicher Weise wirken Expressionskassetten, die stromaufwärts des Strukturgens eingebaut werden. Durch induzierbare Promotoren ist es zusätzlich möglich, die Expression im Verlaufe der fermentativen L-Lysin-Produktion zu steigern. Durch Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer der m-RNA wird ebenfalls die Expression verbessert. Weiterhin wird durch Verhinderung des Abbaus des Enzymproteins ebenfalls die Enzymaktivität verstärkt. Die Gene oder Genkonstrukte können entweder in Plasmiden mit unterschiedlicher Kopienzahl vorliegen oder im Chromosom integriert und amplifiziert sein. Alternativ kann weiterhin eine Überexpression der betreffenden Gene durch Veränderung der Medienzusammensetzung und Kulturführung erreicht werden.
    Anleitungen hierzu findet der Fachmann unter anderem bei Martin et al. (Bio/Technology 5, 137-146 (1987)), bei Guerrero et al. (Gene 138, 35-41 (1994)), Tsuchiya und Morinaga (Bio/Technology 6, 428-430 (1988)), bei Eikmanns et al. (Gene 102, 93-98 (1991)), in der Europäischen Patentschrift EPS 0 472 869, im US Patent 4,601,893, bei Schwarzer und Pühler (Bio/Technology 9, 84-87 (1991), bei Reinscheid et al. (Applied and Environmental Microbiology 60, 126-132 (1994)), bei LaBarre et al. (Journal of Bacteriology 175, 1001-1007 (1993)), in der Patentanmeldung WO 96/15246, bei Malumbres et al. (Gene 134, 15 - 24 (1993)), in der japanischen Offenlegungsschrift JP-A-10-229891, bei Jensen und Hammer (Biotechnology and Bioengineering 58, 191-195 (1998)), bei Makrides (Microbiological Reviews 60:512-538 (1996)) und in bekannten Lehrbüchern der Genetik und Molekularbiologie.
    Beispielhaft wurde das erfindungsgemäße pfk-Gen mit Hilfe von Plasmiden überexprimiert.
    Als Plasmide eignen sich solche, die in coryneformen Bakterien repliziert werden. Zahlreiche bekannte Plasmidvektoren wie z. B. pZ1 (Menkel et al., Applied and Environmental Microbiology (1989) 64: 549-554), pEKEx1 (Eikmanns et al., Gene 102:93-98 (1991)) oder pHS2-1 (Sonnen et al., Gene 107:69-74 (1991)) beruhen auf den kryptischen Plasmiden pHM1519, pBL1 oder pGA1. Andere Plasmidvektoren wie z. B. solche, die auf pCG4 (US-A 4,489,160) oder pNG2 (Serwold-Davis et al., FEMS Microbiology Letters 66, 119-124 (1990)) oder pAG1 (US-A 5,158,891) beruhen, können in gleicher Weise verwendet werden.
    Weiterhin eignen sich solche Plasmidvektoren mit Hilfe derer man das Verfahren der Genamplifikation durch Integration in das Chromosom anwenden kann, so wie es beispielsweise von Reinscheid et al. (Applied and Environmental Microbiology 60, 126-132 (1994)) zur Duplikation bzw. Amplifikation des hom-thrB-Operons beschrieben wurde. Bei dieser Methode wird das vollständige Gen in einen Plasmidvektor kloniert, der in einem Wirt (typischerweise E. coli), nicht aber in C. glutamicum replizieren kann. Als Vektoren kommen bespielsweise pSUP301 (Simon et al., Bio/Technology 1, 784-791 (1983)), pK18mob oder pK19mob (Schäfer et al., Gene 145, 69-73 (1994)), pGEM-T (Promega corporation, Madison, WI, USA), pCR2.1-TOPO (Shuman (1994). Journal of Biological Chemistry 269:32678-84; US-A 5,487,993), pCR®Blunt (Firma Invitrogen, Groningen, Niederlande; Bernard et al., Journal of Molecular Biology, 234: 534-541 (1993)) oder pEM1 (Schrumpf et al, 1991, Journal of Bacteriology 173:4510-4516) in Frage. Der Plasmidvektor, der das zu amplifizierende Gen enthält, wird anschließend durch Konjugation oder Transformation in den gewünschten Stamm von C. glutamicum überführt. Die Methode der Konjugation ist beispielsweise bei Schäfer et al. (Applied and Environmental Microbiology 60, 756-759 (1994)) beschrieben. Methoden zur Transformation sind beispielsweise bei Thierbach et al. (Applied Microbiology and Biotechnology 29, 356-362 (1988)), Dunican und Shivnan (Bio/Technology 7, 1067-1070 (1989)) und Tauch et al. (FEMS Microbiological Letters 123, 343-347 (1994)) beschrieben. Nach homologer Rekombination mittels eines "cross over"-Ereignisses enthält der resultierende Stamm mindestens zwei Kopien des betreffenden Gens.
    Zusätzlich kann es für die Produktion von Aminosäuren, insbesondere L-Lysin, vorteilhaft sein, neben dem pfk-Gen eines oder mehrere Enzyme des jeweiligen Biosyntheseweges, der Glykolyse, der Anaplerotik, des Zitronensäure-Zyklus oder des Aminosäure-Exports zu verstärken oder zu überexprimieren.
    So kann beispielsweise für die Herstellung von L-Lysin gleichzeitig eines oder mehrere der Gene, ausgewählt aus der Gruppe
    • das für die Dihydrodipicolinat-Synthase kodierende dapA-Gen (EP-B 0 197 335), oder
    • das für die Glyceraldehyd-3-Phosphat Dehydrogenase kodierende gap-Gen (Eikmanns (1992), Journal of Bacteriology 174:6076-6086), oder
    • das für die Triosephosphat Isomerase codierende tpi-Gen(Eikmanns (1992), Journal of Bacteriology 174:6076-6086), oder
    • das für die 3-Phosphoglycerat Kinase codierende pgk-Gen(Eikmanns (1992), Journal of Bacteriology 174:6076-6086), oder
    • das für die Pyruvat Carboxylase codierende pyc-Gen(Eikmanns (1992), Journal of Bacteriology 174:6076-6086), oder
    • das für den Lysin-Export kodierende lysE-Gen (DE-A-195 48 222)
    überexprimiert werden.
    Weiterhin kann es für die Produktion von Aminosäuren, insbesondere L-Lysin, vorteilhaft sein, neben dem pfk-Gen gleichzeitig
    • das für die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase codierende pck-Gen (DE 199 50 409.1, DSM 13047) und/oder
    • das für die Glucose-6-Phosphat Isomerase kodierende pgi-Gen (US 09/396,478, DSM 12969)
    abzuschwächen.
    Weiterhin kann es für die Produktion von Aminosäuren, insbesondere L-Lysin, vorteilhaft sein, neben der Überexpression des pfk-Gens unerwünschte Nebenreaktionen auszuschalten (Nakayama: "Breeding of Amino Acid Producing Micro-organisms", in: Overproduction of Microbial Products, Krumphanzl, Sikyta, Vanek (eds.), Academic Press, London, UK, 1982).
    Die erfindungsgemäß hergestellten Mikroorganismen können kontinuierlich oder diskontinuierlich im batch - Verfahren (Satzkultivierung) oder im fed batch (Zulaufverfahren) oder repeated fed batch Verfahren (repetitives Zulaufverfahren) zum Zwecke der Produktion von Aminosäuren, insbesondere L-Lysin, kultiviert werden. Eine Zusammenfassung über bekannte Kultivierungsmethoden sind im Lehrbuch von Chmiel (Bioprozesstechnik 1. Einführung in die Bioverfahrenstechnik (Gustav Fischer Verlag, Stuttgart, 1991)) oder im Lehrbuch von Storhas (Bioreaktoren und periphere Einrichtungen (Vieweg Verlag, Braunschweig/Wiesbaden, 1994)) beschrieben.
    Das zu verwendende Kulturmedium muß in geeigneter Weise den Ansprüchen der jeweiligen Stämme genügen. Beschreibungen von Kulturmedien verschiedener Mikroorganismen sind im Handbuch "Manual of Methods for General Bacteriology" der American Society for Bacteriology (Washington D.C., USA, 1981) enthalten. Als Kohlenstoffquelle können Zucker und Kohlehydrate wie z. B. Glucose, Saccharose, Lactose, Fructose, Maltose, Melasse, Stärke und Cellulose, Öle und Fette wie z. B. Sojaöl, Sonnenblumenöl, Erdnussöl und Kokosfett, Fettsäuren wie z. B. Palmitinsäure, Stearinsäure und Linolsäure, Alkohole wie z. B. Glycerin und Ethanol und organische Säuren wie z. B. Essigsäure verwendet werden. Diese Stoffe können einzeln oder als Mischung verwendet werden. Als Stickstoffquelle können organische Stickstoff haltige Verbindungen wie Peptone, Hefeextrakt, Fleischextrakt, Malzextrakt, Maisquellwasser, Sojabohnenmehl und Harnstoff oder anorganische Verbindungen wie Ammoniumsulfat, Ammoniumchlorid, Ammoniumphosphat, Ammoniumcarbonat und Ammoniumnitrat verwendet werden. Die Stickstoffquellen können einzeln oder als Mischung verwendet werden. Als Phosphorquelle können Phosphorsäure, Kaliumdihydrogenphosphat oder Dikaliumhydrogenphosphat oder die entsprechenden Natrium-haltigen Salze verwendet werden. Das Kulturmedium muß weiterhin Salze von Metallen enthalten wie z. B. Magnesiumsulfat oder Eisensulfat, die für das Wachstum notwendig sind. Schließlich können essentielle Wuchsstoffe wie Aminosäuren und Vitamine zusätzlich zu den oben genannten Stoffen eingesetzt werden. Dem Kulturmedium können überdies geeignete Vorstufen zugesetzt werden. Die genannten Einsatzstoffe können zur Kultur in Form eines einmaligen Ansatzes hinzugegeben oder in geeigneter Weise während der Kultivierung zugefüttert werden.
    Zur pH - Kontrolle der Kultur werden basische Verbindungen wie Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Ammoniak bzw. Ammoniakwasser oder saure Verbindungen wie Phosphorsäure oder Schwefelsäure in geeigneter Weise eingesetzt. Zur Kontrolle der Schaumentwicklung können Antischaummittel wie z. B. Fettsäurepolyglykolester eingesetzt werden. Zur Aufrechterhaltung der Stabilität von Plasmiden können dem Medium geeignete selektiv wirkende Stoffe wie z. B. Antibiotika hinzugefügt werden. Um aerobe Bedingungen aufrechtzuerhalten werden Sauerstoff oder Sauerstoffhaltige Gasmischungen wie z. B. Luft in die Kultur eingetragen. Die Temperatur der Kultur liegt normalerweise bei 20°C bis 45°C und vorzugsweise bei 25°C bis 40°C. Die Kultur wird solange fortgesetzt, bis sich ein Maximum an Lysin gebildet hat. Dieses Ziel wird normalerweise innerhalb von 10 Stunden bis 160 Stunden erreicht.
    Die Analyse von L-Lysin kann durch Anionenaustauschchromatographie mit anschließender Ninhydrin Derivatisierung erfolgen, so wie bei Spackman et al. (Analytical Chemistry, 30, (1958), 1190) beschrieben.
    Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur fermentativen Herstellung von Aminosäuren, insbesondere L-Lysin.
    Beispiele
    Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
    Beispiel 1 Herstellung einer genomischen Cosmid-Genbank aus Corynebacterium glutamicum ATCC 13032
    Chromosomale DNA aus Corynebacterium glutamicum ATCC 13032 wurde wie bei Tauch et al. (1995, Plasmid 33:168-179) beschrieben isoliert und mit dem Restriktionsenzym Sau3AI (Amersham Pharmacia, Freiburg, Deutschland, Produktbeschreibung Sau3AI, Code no. 27-0913-02) partiell gespalten. Die DNA-Fragmente wurden mit shrimp alkalischer Phosphatase (Roche Molecular Biochemicals, Mannheim, Deutschland, Produktbeschreibung SAP, Code no. 1758250) dephosphoryliert. Die DNA des Cosmid-Vektors SuperCosl (Wahl et al. (1987) Proceedings of the National Academy of Sciences USA 84:2160-2164), bezogen von der Firma Stratagene (La Jolla, USA, Produktbeschreibung SuperCosl Cosmid Vektor Kit, Code no. 251301) wurde mit dem Restriktionsenzym XbaI (Amersham Pharmacia, Freiburg, Deutschland, Produktbeschreibung XbaI, Code no. 27-0948-02) gespalten und ebenfalls mit shrimp alkalischer Phosphatase dephosphoryliert. Anschließend wurde die Cosmid-DNA mit dem Restriktionsenzym BamHI (Amersham Pharmacia, Freiburg, Deutschland, Produktbeschreibung BamHI, Code no. 27-0868-04) gespalten. Die auf diese Weise behandelte Cosmid-DNA wurde mit der behandelten ATCC13032-DNA gemischt und der Ansatz mit T4-DNA-Ligase (Amersham Pharmacia, Freiburg, Deutschland, Produktbeschreibung T4-DNA-Ligase, Code no.27-0870-04) behandelt. Das Ligationsgemisch wurde anschließend mit Hilfe des Gigapack II XL Packing Extracts (Stratagene, La Jolla, USA, Produktbeschreibung Gigapack II XL Packing Extract, Code no. 200217) in Phagen verpackt. Zur Infektion des E. coli Stammes NM554 (Raleigh et al. 1988, Nucleic Acid Research 16:1563-1575) wurden die Zellen in 10 mM MgSO4 aufgenommen und mit einem Aliquot der Phagensuspension vermischt. Infektion und Titerung der Cosmidbank wurden wie bei Sambrook et al. (1989, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor) beschrieben durchgeführt, wobei die Zellen auf LB-Agar (Lennox, 1955, Virology, 1:190) mit 100 µg/ml Ampicillin ausplattiert wurden. Nach Inkubation über Nacht bei 37°C wurden rekombinante Einzelklone selektioniert.
    Beispiel 2 Isolierung und Sequenzierung des pfk-Gens
    Die Cosmid-DNA einer Einzelkolonie wurde mit dem Qiaprep Spin Miniprep Kit (Product No. 27106, Qiagen, Hilden, Germany) nach Herstellerangaben isoliert und mit dem Restriktionsenzym Sau3AI (Amersham Pharmacia, Freiburg, Deutschland, Produktbeschreibung Sau3AI, Product No. 27-0913-02) partiell gespalten. Die DNA-Fragmente wurden mit shrimp alkalischer Phosphatase (Roche Molecular Biochemicals, Mannheim, Deutschland, Produktbeschreibung SAP, Product No. 1758250) dephosphoryliert. Nach gelelektrophoretischer Auftrennung erfolgte die Isolierung der Cosmidfragmente im Größenbereich von 1500 bis 2000 bp mit dem QiaExII Gel Extraction Kit (Product No. 20021, Qiagen, Hilden, Germany). Die DNA des Sequenziervektors pZero-1 bezogen von der Firma Invitrogen (Groningen, Niederlande, Produktbeschreibung Zero Background Cloning Kit, Product No. K2500-01) wurde mit dem Restriktionsenzym BamHI (Amersham Pharmacia, Freiburg, Deutschland, Produktbeschreibung BamHI, Product No. 27-0868-04) gespalten. Die Ligation der Cosmidfragmente in den Sequenziervektor pZero-1 wurde wie von Sambrook et al. (1989, Molecular Cloning: A laboratory Manual, Cold Spring Harbor) beschrieben durchgeführt, wobei das DNA-Gemisch mit T4-Ligase (Pharmacia Biotech, Freiburg, Deutschland) über Nacht inkubiert wurde. Dieses Ligationsgemisch wurde anschließend in den E. coli Stamm DH5αMCR (Grant, 1990, Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A., 87:4645-4649) elektroporiert (Tauch et al. 1994, FEMS Microbiol Letters, 123:343-7) und auf LB-Agar (Lennox, 1955, Virology, 1:190) mit 50 ug/ml Zeocin ausplattiert. Die Plasmidpräparation der rekombinanten Klone erfolgte mit dem Biorobot 9600 (Product No. 900200, Qiagen, Hilden, Deutschland). Die Sequenzierung erfolgte nach der Dideoxy-Kettenabbruch-Methode von Sanger et al. (1977, Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A., 74:5463-5467) mit Modifikationen nach Zimmermann et al. (1990, Nucleic Acids Research, 18:1067). Es wurde der "RR dRhodamin Terminator Cycle Sequencing Kit" von PE Applied Biosystems(Product No. 403044, Weiterstadt, Deutschland) verwendet. Die gelelektrophoretische Auftrennung und Analyse der Sequenzierreaktion erfolgte in einem "Rotiphorese NF Acrylamid/Bisacrylamid" Gel (29:1) (Product No. A124.1, Roth, Karlsruhe, Germany) mit dem "ABI Prism 377" Sequenziergerät von PE Applied Biosystems (Weiterstadt, Deutschland).
    Die erhaltenen Roh-Sequenzdaten wurden anschließend unter Anwendung des Staden-Programpakets (1986, Nucleic Acids Research, 14:217-231) Version 97-0 prozessiert. Die Einzelsequenzen der pZerol-Derivate wurden zu einem zusammenhängenden Contig assembliert. Die computergestützte Kodierbereichsanalyse wurden mit dem Programm XNIP (Staden, 1986, Nucleic Acids Research, 14:217-231) angefertigt. Weitere Analysen wurden mit den "BLAST search programs" (Altschul et al., 1997, Nucleic Acids Research, 25:3389-3402), gegen die non-redundant Datenbank des "National Center for Biotechnology Information" (NCBI, Bethesda, MD, USA) durchgeführt.
    Die erhaltene Nukleotidsequenz ist in SEQ ID No. 1 dargestellt. Die Analyse der Nukleotidsequenz ergab ein offenes Leseraster von 990 Basenpaaren, welches als pfk-Gen bezeichnet wurde. Das pfk-Gen kodiert für ein Protein von 330 Aminosäuren.
    Beispiel 3 Herstellung des Expressionsvektors pZ-pfkex zur Verstärkung des pfk-Gens in Corynebacterium glutamicum 3.1. Klonierung des pfk-Gens
    Aus dem Stamm ATCC 13032 wurde nach der Methode von Eikmanns et al. (Microbiology 140: 1817-1828 (1994)) chromosomale DNA isoliert. Aufgrund der aus Beispiel 2 für C. glutamicum bekannten Sequenz des pfk-Gens wurden die folgenden Oligonukleotide für die Polymerase Kettenreaktion ausgewählt:
    Figure 00190001
    Die dargestellten Primer wurden von der Firma ARK Scientific GmbH Biosystems (Darmstadt, Deutschland) synthetisiert. Der Primer pfk-ex enthält die Sequenz für die Schnittstelle der Restriktionsendonuklease EcoRI und der Primer pfk-glp2 die Schnittstelle der Restriktionsendonuklease SalI, die in der oben dargestellten Nukleotidabfolge durch Unterstreichen markiert sind. Die PCR-Reaktion wurde nach der Standard-PCR-Methode von Innis et al. (PCR protocols. A Guide to Methods and Applications, 1990, Academic Press) mit Pwo-Polymerase der Firma Roche Diagnostics GmbH (Mannheim, Deutschland) durchgeführt. Mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion ermöglichen die Primer die Amplifikation eines ca. 1,05 kb großen DNA-Fragmentes, welches das pfk-Gen aus Corynebacterium glutamicum trägt. Das so amplifizierte Produkt wurde in einem 0,8%igen Agarosegel elektrophoretisch geprüft.
    Das auf diese Weise gewonnene PCR Fragment wurde mit den Restriktionsenzymen EcoRI und SalI vollständig gespalten. Das ca. 1,05 kb große pfk-Fragment wurde aus dem Agarosegel mit dem QiaExII Gel Extraction Kit (Product No. 20021, Qiagen, Hilden, Germany) isoliert.
    3.2. Klonierung von pfk in den Vektor pZ8-1
    Als Basisvektor zur Expression sowohl in C. glutamicum als auch in E. coli wurde der E. coli - C. glutamicum - Shuttle - Expressionsvektor pZ8-1 (EP 0 375 889) eingesetzt. DNA dieses Plasmids wurde mit den Restriktionsenzymen EcoRI und SalI vollständig gespalten und anschließend mit shrimp alkalischer Phosphatase (Roche Diagnostics GmbH, Mannheim, Deutschland, Produktbeschreibung SAP, Product No. 1758250) dephosphoryliert. Das in Beispiel 3.1 aus dem Agarosegel isolierte pfk-Fragment wurde mit dem so vorbereiteten Vektor pZ8-1 gemischt und der Ansatz mit T4-DNA-Ligase (Amersham Pharmacia, Freiburg, Deutschland, Produktbeschreibung T4-DNA-Ligase, Code no.27-0870-04) behandelt.
    Der Ligationsansatz wurde in den E. coli Stamm DH5αmcr (Hanahan, In: DNA Cloning. A Practical Approach, Vol. I, IRL-Press, Oxford, Washington DC, USA) transformiert. Die Selektion von Plasmid-tragenden Zellen erfolgte durch Ausplattieren des Transformationsansatzes auf LB-Agar (Lennox, 1955, Virology, 1:190) mit 50 mg/l Kanamycin. Nach Inkubation über Nacht bei 37°C wurden rekombinante Einzelklone selektioniert. Plasmid DNA wurde aus einer Transformante mit dem Qiaprep Spin Miniprep Kit (Product No. 27106, Qiagen, Hilden, Germany) nach Herstellerangaben isoliert und durch Restriktionsspaltung überprüft. Das erhaltene Plasmid wurde pZ-pfkex genannt. Es ist in Figur 1 dargestellt.
    Beispiel 4 Transformation des Stammes DSM5715 mit dem Plasmid pZ-pfkex
    Der Stamm DSM5715 (EP 0 435 132) wurde mit dem Plasmid pZ-pfkex unter Anwendung der von Liebl et al., (FEMS Microbiology Letters, 53:299-303 (1989)) beschriebenen Elektroporationsmethode transformiert. Die Selektion der Transformanten erfolgte auf LBHIS Agar bestehend aus 18,5 g/l Brain-Heart Infusion Boullion, 0,5 M Sorbitol, 5 g/l Bacto-Trypton, 2,5 g/l Bacto-Yeast-Extract, 5 g/l NaCl und 18 g/l Bacto-Agar, der mit 25 mg/l Kanamycin supplementiert worden war. Die Inkubation erfolgte für 2 Tage bei 33°C. Plasmid DNA wurde aus einer Transformante nach den üblichen Methoden isoliert (Peters-Wendisch et al., 1998, Microbiology, 144, 915 - 927), mit den Restriktionsendonukleasen EcoRI und SalI geschnitten und das Plasmid durch anschließende Agarosegel-Elektrophorese überprüft. Der erhaltene Stamm wurde DSM5715/pZ-pfkex genannt.
    Beispiel 5 Herstellung von Lysin
    Der in Beispiel 4 erhaltene C. glutamicum Stamm DSM5715/pZ-pfkex wurde in einem zur Produktion von Lysin geeigneten Nährmedium kultiviert und der Lysingehalt im Kulturüberstand bestimmt.
    Dazu wurde der Stamm zunächst auf Agarplatte mit dem entsprechenden Antibiotikum (Hirn-Herz-Agar mit Tetracyclin (5 mg/l)) für 24 Stunden bei 33°C inkubiert. Ausgehend von dieser Agarplattenkultur wurde eine Vorkultur angeimpft (10 ml Medium im 100 ml Erlenmeyerkolben). Als Medium für die Vorkultur wurde das Vollmedium Cg III verwendet.
    Medium Cg III
    NaCl 2,5 g/l
    Bacto-Pepton 10 g/l
    Bacto-Yeast-Extrakt 10 g/l
    Glucose (getrennt autoklaviert) 2% (w/v)
    Der pH-Wert wurde auf pH 7.4 eingestellt
    Diesem wurde Kanamycin (25 mg/l) zugesetzt. Die Vorkultur wurde 16 Stunden bei 33°C bei 240 rpm auf dem Schüttler inkubiert. Von dieser Vorkultur wurde eine Hauptkultur angeimpft, so daß die Anfangs-OD (660nm) der Hauptkultur 0,05 betrug. Für die Hauptkultur wurde das Medium MM verwendet.
    Medium MM
    CSL (Corn Steep Liquor) 5 g/l
    MOPS (Morpholinopropansulfonsäure) 20 g/l
    Glucose (getrennt autoklaviert) 50 g/l
    (NH4)2SO4 25 g/l
    KH2PO4 0,1 g/l
    MgSO4 * 7 H2O 1,0 g/l
    CaCl2 * 2 H2O 10 mg/l
    FeSO4 * 7 H2O 10 mg/l
    MnSO4 * H2O 5,0mg/l
    Biotin (sterilfiltriert) 0,3 mg/l
    Thiamin * HCl (sterilfiltriert) 0,2 mg/l
    L-Leucin (sterilfiltriert) 0,1 g/l
    CaCO3 25 g/l
    CSL, MOPS und die Salzlösung wurden mit Ammoniakwasser auf pH 7 eingestellt und autoklaviert. Anschließend wurden die sterilen Substrat- und Vitaminlösungen zugesetzt, sowie das trocken autoklavierte CaCO3.
    Die Kultivierung erfolgt in 10 ml Volumen in einem 100 ml Erlenmeyerkolben mit Schikanen. Es wurde Kanamycin (25 mg/l) zugesetzt. Die Kultivierung erfolgte bei 33°C und 80% Luftfeuchtigkeit.
    Nach 72 Stunden wurde die OD bei einer Meßwellenlänge von 660 nm mit dem Biomek 1000 (Beckmann Instruments GmbH, München) ermittelt. Die gebildete Lysinmenge wurde mit einem Aminosäureanalysator der Firma Eppendorf-BioTronik (Hamburg, Deutschland) durch Ionenaustauschchromatographie und Nachsäulenderivatisierung mit Ninhydrindetektion bestimmt.
    In Tabelle 1 ist das Ergebnis des Versuchs dargestellt.
    Stamm OD(660) Lysin-HCl
    g/l
    DSM5715 7,9 13,0
    DSM5715/pZ-pfkex 9,9 13,4
    Abbildungen: Folgende Abbildung beigefügt: ▪ Abbildung 1: Plasmid pZ-pfkex
    Die in der Abbildung verwendeten Abkürzungen haben folgende Bedeutung:
    Kan:
    Resistenzgen für Kanamycin
    Ptac:
    tac-Promotor
    pfk:
    pfk-Gen von C. glutamicum
    rrnB-T1T2:
    Terminator T1T2 des rrnB-Gens von E.coli
    rep:
    Plasmidkodierter Replikationsursprung für C. glutamicum (von pHM1519)
    EcoRI:
    Schnittstelle des Restriktionsenzyms EcoRI
    SalI:
    Schnittstelle des Restriktionsenzyms SalI
    Figure 00250001
    Figure 00260001
    Figure 00270001
    Figure 00280001

    Claims (16)

    1. Isoliertes Polynukleotid aus coryneformen Bakterien, enthaltend eine Polynukleotidsequenz, ausgewählt aus der Gruppe
      a) Polynukleotid, das mindestens zu 70 % identisch ist mit einem Polynukleotid, das für ein Polypeptid codiert, das die Aminosäuresequenz von SEQ ID No. 2 enthält,
      b) Polynukleotid, das für ein Polypeptid codiert, das eine Aminosäuresequenz enthält, die zu mindestens 70 % identisch ist mit der Aminosäuresequenz von SEQ ID No.2,
      c) Polynukleotid, das komplementär ist zu den Polynukleotiden von a) oder b), und
      e) Polynukleotid, enthaltend mindestens 15 aufeinanderfolgende Basen der Polynukleotidsequenz von a), b) oder c).
    2. Polynukleotid gemäß Anspruch 1,
      wobei das Polynukleotid eine in coryneformen Bakterien replizierbare, bevorzugt rekombinante DNA ist.
    3. Polynukleotid gemäß Anspruch 1,
      wobei das Polynukleotid eine RNA ist.
    4. Polynukleotid gemäß Anspruch 2,
      enthaltend die Nukleinsäuresequenz wie in SEQ ID No. 1 dargestellt.
    5. Replizierbare DNA gemäß Anspruch 2,
      enthaltend
      (i) die Nukleotidsequenz, gezeigt in SEQ ID No. 1, oder
      (ii) mindestens eine Sequenz, die der Sequenz (i) innerhalb des Bereichs der Degeneration des genetischen Codes entspricht, oder
      (iii) mindestens eine Sequenz, die mit der zur Sequenz (i) oder (ii) komplementären Sequenz hybridisiert, und gegebenenfalls
      (iv) funktionsneutrale Sinnmutationen in (i).
    6. Polynukleotidsequenz gemäß Anspruch 2, das
      für ein Polypeptid codiert, das die Aminosäuresequenz in SEQ ID No. 2 darstellt, enthält.
    7. Verfahren zur fermentativen Herstellung von L-Aminosäuren, insbesondere L-Lysin,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß man folgende Schritte durchführt:
      a) Fermentation der die L-Aminosäure produzierenden coryneformen Bakterien, in denen man zumindest das pfk-Gen oder dafür codierende Nukleotidsequenzen verstärkt, insbesondere überexprimiert.
      b) Anreicherung von der L-Aminosäure im Medium oder in den Zellen der Bakterien und
      c) Isolieren von der L-Aminosäure.
    8. Verfahren gemäß Anspruch 7,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß man Bakterien einsetzt, in denen man zusätzlich weitere Gene des Biosyntheseweges der gewünschten L-Aminosäure verstärkt.
    9. Verfahren gemäß Anspruch 7,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß man Bakterien einsetzt, in denen die Stoffwechselwege zumindest teilweise ausgeschaltet sind, die die Bildung des L-Lysins verringern.
    10. Verfahren gemäß Anspruch 7,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß man einen mit einem Plasmidvektor transformierten Stamm einsetzt, und der Plasmidvektor die für das pfk-Gen codierende Nukleotidsequenz trägt.
    11. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß man coryneforme Bakterien verwendet, die L-Lysin herstellen.
    12. Verfahren gemäß Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß man für die Herstellung von Lysin Bakterien fermentiert, in denen man gleichzeitig eines oder mehrere der Gene, ausgewählt aus der Gruppe
      12.1
      das für die Dihydrodipicolinat-Synthase kodierende dapA-Gen,
      12.2
      das für die Pyruvat Carboxylase codierende pyc-Gen
      12.3
      das für die Triosephosphat Isomerase kodierende tpi-Gen,
      12.4
      das für die Glyceraldehyd-3-Phosphat Dehydrogenase kodierende gap-Gen,
      12.5
      das für die 3-Phosphoglycerat Kinase kodierende pgk-Gen,
      12.6
      das für den Lysin-Export kodierende lysE-Gen,
      gleichzeitig verstärkt, insbesondere überexprimiert oder amplifiziert.
    13. Verfahren gemäß Anspruch 9,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß man für die Herstellung von L-Lysin Bakterien fermentiert, in denen man gleichzeitig eines oder mehrere der Gene, ausgewählt aus der Gruppe
      13.1
      das für die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase codierende pck-Gen
      13.2
      das für die Glucose-6-Phosphat Isomerase kodierende pgi-Gen
    14. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß man Mikroorganismen der Gattung Corynebacterium glutamicum einsetzt.
    15. Verwendung von Polynukleotidsequenzen gemäß Anspruch 1 als Primer zur Herstellung der DNA von Genen, die für die für die Phosphofructokinase codieren, durch die Polymerase-Kettenreaktion.
    16. Verwendung von Polynukleotidsequenzen gemäß Anspruch 1 als Hybridisierungssonden.
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